Роль хлоридов в процессах частичного плавления, мантийного метасоматоза и магмообразования на глубинах 100-200 км: экспериментальное исследование

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-17-00024

НазваниеРоль хлоридов в процессах частичного плавления, мантийного метасоматоза и магмообразования на глубинах 100-200 км: экспериментальное исследование

Руководитель Шацкий Антон Фарисович, Доктор геолого-минералогических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Ленина и Ордена Октябрьской Революции Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук , г Москва

Конкурс №55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-201 - Геохимия магматических процессов

Ключевые слова хлориды, карбонаты, двойные карбонаты, KCl, хлорид-карбонатные системы, хлорид-карбонат-силикатные системы, ликвация, фазовые взаимоотношения, T-X диаграммы, эксперименты при высоких давлениях, многопуансонные прессовые аппараты, Каваи эксперименты, литосферная мантия, флюидные включения в алмазах, алмазообразование

Код ГРНТИ38.00.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение проблемы происхождения хлоридных расплавов/флюидов, найденных в виде микровключений в кимберлитовых алмазах, и их генетической связи с алюмосиликатными и карбонатитовыми расплавами, которые также распространены в виде микровключений в кимберлитовых алмазах по всему миру. Характерной особенностью этих включений является аномально высокие концентрации калия. Предполагается, что данные расплавы играли ключевую роль в образовании литосферных алмазов, а также являлись активными метасоматическими агентами, изменявшими геохимию пород литосферной мантии Земли. Также эти расплавы могли вносить существенный вклад в образование кимберлитовых и лампроитовых магм в качестве источника легкоплавких компонентов таких как K2O, Na2O, CO32-, H2O, Cl-. Недавно нами установлено, что калиевые алюмосиликатные и карбонатитовые расплавы несмесимы и могли образовываться при P-T параметрах кристаллизации большинства алмазов в результате частичного плавления материала континентальной коры (карбонатизированных пелитов), субдуцированного под древние кратоны на глубину порядка ~ 200 км (Shatskiy et al., 2019 Gondwana Research). Вместе с тем вопрос об образовании хлоридных расплавов/флюидов остается экспериментально нерешенным. В экспериментальных работах О.Г. Сафонова с соавторами (Safonov et al., 2007) установлено, что при высоких температурах (1400-1600 °С при 5 ГПа) хлориды хорошо растворяются в сосуществующих силикатном и карбонатном расплавах и не образуют самостоятельной фазы. Однако вопрос о том, что происходит при более низких температурах, отвечающих температурам в основании континентальной литосферы (1000-1300 °С), где кристаллизовались алмазы, и температурам в зонах субдукции (≤ 1000 °С), где могли зарождаться хлоридные расплавы (рассолы), остается открытым. На сегодняшний день выдвинуто две гипотезы о происхождении хлоридных расплавов-флюидов и их генетической связи с карбонатитовыми и алюмосиликатными расплавами. Согласно первой, хлоридный и алюмосиликатный расплавы образуются в результате фракционной кристаллизации и жидкостной несмесимости из материнского карбонатитового расплава (Klein-BenDavid et al., 2007). Согласно второй, хлоридные расплавы генерируются в субдукционных плитах, а их взаимодействие с карбонатизированными эклогитами и перидотитами приводит к образованию силикатных и карбонатитовых расплавов (Weiss et al., 2009, 2015). При всей привлекательности данных гипотез, они не имеют физикохимического обоснования по причине отсутствия соответствующих диаграмм состояния. Ограниченное число экспериментальных данных по фазовым диаграммам хлорид-содержащих систем при параметрах алмазообразования (5-7 GPa, 900-1500 °C) связанно со сложностью анализа образцов после экспериментов. Попытки решить данную проблему изучая многокомпонентные системы, одновременно содержащие хлориды, карбонаты, силикаты и воду, показали, что без знания принципиальной топологии простых хлорид-карбонатных и хлорид-карбонат-силикатных систем интерпретация экспериментальных наблюдений в сложных природоподобных системах затруднительна. В первую очередь это связано с рекристаллизацией водорастворимых хлоридов и карбонатов в воде, что исключает возможность последующей интерпретации происхождения кристаллов (стабильная кристаллическая фаза или продукты рекристаллизации соленого расплава-флюида). Учитывая высокую растворимость хлоридов и воды как в карбонатных, так и в алюмосиликатных расплавах, выявленных в предыдущих экспериментах (Safonov et al., 2007, 2009; Butvina et al., 2009), хлоридный расплав/флюид может образовываться из калиевых карбонатитовых и / или алюмосиликатных расплавов путем фракционной кристаллизации щелочноземельных карбонатов, эклогитовых минералов Ca-Mg и накопления щелочей, хлора и воды в остаточном низкотемпературном расплаве/флюиде. Частичное плавление гидратированных морских осадков зон субдукции является альтернативной возможностью образования хлоридных рассолов или расплавов. Следуя этой концепции, проблема будет решена путем поэтапного изучения последовательности образования фаз, начиная с простых систем хлорид-карбонат, затем хлорид-карбонат-силикат и вода-хлорид-карбонат-силикат. Окончательные результаты будут проверены в природно-подобных многокомпонентных системах, содержащих хлориды, карбонаты и воду. В этой связи настоящий проект посвящен систематическому изучению фазовых взаимоотношений в хлорид-карбонатных, хлорид-карбонат-силикатных и водно-хлорид-карбонат-силикатных системах с последовательным увеличением числа компонентов от простых бинарных и тройных к сложным многокопонентным системам в плоть до системы пелит-Cl-CO2-H2O. Эксперименты будут проведены при P-T параметрах соответствующих интервалу глубин 100-200 км.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Шацкий А.Ф., Бехтенова А.Е., Арефьев А.В., Подбородиков И.В., Виноградова Ю.Г., Резвухин Д.И., Литасов К.Д. Solidus and melting of carbonated phlogopite peridotite at 3–6.5 GPa: Implications for mantle metasomatism Gondwana Research, 101, 2022, 156-174 (год публикации - 2022)
10.1016/j.gr.2021.07.023

2. Подбородников И.В., Шацкий А., Арефьев А.В., Бехтенова А., Литасов К.Д. The systems KCl–CaCO3 and KCl–MgCO3 at 6 GPa High Pressure Research, 3, 42, 245-258 (год публикации - 2022)
10.1080/08957959.2022.2102426

3. Шацкий А., Подбородников И.В., Арефьев А.В., Бехтенова А., Литасов К.Д. The KCl−CaCO3−MgCO3 system at 6 GPa: A link between saline and carbonatitic diamond-forming fluids Chemical Geology, 604, 120931 (год публикации - 2022)
10.1016/j.chemgeo.2022.120931

4. Шацкий А., Подбородников И.В., Арефьев А.В., Бехтенова А., Литасов К.Д. Genetic link between saline and carbonatitic mantle fluids: The system NaCl-CaCO3-MgCO3±H2O±Fe0 at 6 GPa Geoscience Frontiers, 13, 101431 (год публикации - 2022)
10.1016/j.gsf.2022.101431

5. Шацкий А., Арефьев А.В., Литасов К.Д. Change in carbonate budget and composition during subduction below metal saturation boundary Geoscience Frontiers, 14, 2023 (год публикации - 2023)
10.1016/j.gsf.2022.101463

6. Шацкий А., Подбородников И.В., Федораева, А.С., Арефьев А.В., Бехтенова А., Литасов К.Д. The NaCl–CaCO3 and NaCl–MgCO3 systems at 6 GPa: Link between saline and carbonatitic diamond forming melts. American Mineralogist, статья принята, но финальный pdf со страницами еще не опубликован (год публикации - 2023)
10.2138/am-2022-8403

7. Виноградова Ю.Г., Шацкий А., Арефьев А.В., Литасов К.Д. The equilibrium boundary of the reaction Mg3Al2Si3O12 + 3CO2 = Al2SiO5 + 2SiO2 + 3MgCO3 at 3-6 GPa American Mineralogist, статья принята, но финальный pdf со страницами еще не опубликован (год публикации - 2023)
10.2138/am-2022-8696

8. Шацкий А., Виноградова Ю.Г.., Арефьев А.В., Литасов К.Д. The system NaAlSi2O6‒CaMgSi2O6−CO2 at 3-6.5 GPa: Implications for CO2 stability in the eclogitic suite at depths of 100-200 km Contributions to Mineralogy and Petrology, 4, 178, 22 (год публикации - 2023)
10.1007/s00410-023-01999-w

9. Шацкий А., Виноградова Ю.Г., Арефьев А.В., Литасов К.Д. Revision of the CaMgSi2O6−CO2 P-T phase diagram at 3-6 GPa American Mineralogist, 108, 2338-2347 (год публикации - 2023)
10.2138/am-2022-8588

10. Шацкий А., Подбородников И.В., Арефьев А.В., Литасов К.Д. The System KCl–CaCO3–MgCO3 at 3 GPa Minerals, 13, 248, 1-20 (год публикации - 2023)
10.3390/min13020248

11. Шацкий, А.Ф., Подбородников, И.В., Арефьев, А.В., Литасов, К.Д. Система NaCl-CaCO3-MgCO3 при 3 ГПа: применение к мантийным солидусам Геология и геофизика, 8, 64, 932-949 (год публикации - 2023)
10.15372/GiG2023125

Публикации